Les atomes froids jouent un rôle primordial dans le développement d’horloges et de capteurs inertiels de haute exactitude. Ces expériences n’ont utilisé jusqu’alors que des nuages incohérents, mais l’avènement des lasers à atomes rend désormais possible l’utilisation de sources atomiques pleinement cohérentes dans de tels dispositifs. Les perspectives offertes par ces nouvelles sources sont étudiées au moyen de deux propositions expérimentales originales, impliquant en particulier des résonateurs à ondes de matière.

Cette thèse présente l'étude d'un gyromètre à atomes froids fondé sur l'interférence de paquets d'onde atomiques, manipulés à l'aide de transitions Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités sur une seconde de 2,4·10^–7 rad·s^–1 et de 6·10^–7 m·s^–2 pour des mesures de rotation et d'accélération. Ainsi, les performances obtenues sont comparables à celles des meilleurs gyromètres à fibre optique. L'influence des déphasages induits lors des interactions Raman (déplacement lumineux, défauts de front d'onde des lasers) a été étudié en détail. En particulier, il a été montré que ces effets limitent la stabilité à long terme des mesures. Une étude de l'exactitude des mesures qui utilise la rotation de la Terre a été également réalisée.

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Les méthodes de transfert de temps actuelles atteignent des performances telles que leur utilisation permet de tester les lois de la physique fondamentale. Dans ce cadre, la mission ACES vise, entre autres, l'étude des effets de la gravitation sur le battement des horloges à travers un lien de communication performant, le lien micro-onde. Cette thèse se focalise sur la comparaison des horloges de cette mission pour en développer un modèle précis au dixième de picoseconde. De ce modèle, découle un algorithme de traitement des mesures brutes qui servira lors de la mission. Des tests de ce programme ont été réalisés à l'aide d'une simulation des mesures de la mission afin d'en évaluer les performances. Par ailleurs, les besoins de la mission en précision de l'orbitographie des stations et des calibrations temporelles de la mission sont approfondis et montrent de limites moins contraignantes que celles naïvement estimées. Enfin, la résolution statistique des ambiguïtés de phase est étudiée à l'aide d'un modèle réaliste de bruit des mesures. Ce travail conduit à des méthodes permettant de réduire considérablement le taux d'échec de cette détermination. Ce travail s'ouvre sur l'étude du projet SAGAS et de son concept avancé de lien optique. Des combinaisons de mesures et leur optimisation permettent d'évaluer les performances du projet sur plusieurs de ses objectifs scientifiques, tels que l'exploration spatiale, les tests des lois de la gravitation ou les ondes gravitationnelles.

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Les fontaines atomiques constituent l'état de l'art en matière d'horloges atomiques fondées sur l'atome de césium, atome dont une résonance hyperfine est depuis 1967 à la base de la définition de la seconde. Cette thèse présente les dernières avancées de la fontaine double à atomes froids de césium et de rubidium du LNE-SYRTE. Combinant deux types d'atomes, ce dispositif unique au monde permet d'envisager des tests de physique fondamentale reposant sur la comparaison de fréquences de transition atomique avec une résolution exceptionnelle. Afin d'autoriser le fonctionnement à deux atomes simultanément, de nouveaux systèmes optiques, chargés de combiner les lumières utiles à la manipulation des deux espèces atomiques, ont été conçus, testés et mis en place. Sans attendre le fonctionnement double, la comparaison de la fontaine rubidium avec l’autre fontaine césium a permis de tester sur dix ans la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 5·10^–16 par an. En outre, le travail d'amélioration de l'exactitude de l'horloge s’est poursuivi en concentrant les efforts sur les effets liés aux gradients de phase dans la cavité d'interrogation et sur l'atténuation des fuites micro-ondes. L'exactitude de la fontaine a alors été évaluée à 4·10^–16 pour la partie césium et à 5·10^–16 pour la partie rubidium complètement rénovée. Instrument de métrologie puissant, la fontaine a été impliquée dans de nombreuses comparaisons d'horloges et a contribué à maintes reprises à l'étalonnage du Temps Atomique International (TAI). Enfin, un test inédit de l'invariance de Lorentz a été mené.

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Afin de surpasser les performances des meilleures horloges micro-ondes actuelles, les fontaines atomiques, les recherches de ces vingt dernières années se sont portées sur les horloges optiques. Utilisant des transitions à des fréquences de quatre ordres de grandeur plus importantes, l'exactitude et la stabilité de fréquence de ces horloges, par rapport aux fontaines atomiques, pourraient être améliorées d'un facteur cent. Néanmoins, les premières horloges optiques, utilisant soit des atomes neutres en chute libre soit un ion piégé, présentent des limites. Suite à une proposition datant de 2001, un nouveau type d'horloge est apparu, capable de combiner l'exactitude des meilleures horloges à ion ainsi que la très bonne stabilité des horloges à atomes neutres, grâce au piégeage des atomes dans un réseau optique. Ainsi, le LNE-SYRTE développe une horloge à réseau optique avec des atomes de strontium utilisant la transition ¹S₀ ‑ ³P₀. Les résultats obtenus s'articulent selon trois axes. Le premier est l'évaluation des effets du piège sur l'exactitude de l'horloge. En effet, l'idée originale de ce nouveau type d'horloge est de pouvoir piéger les atomes à une longueur d'onde qui annule le déplacement lumineux du premier ordre de la fréquence de la transition. Il a été cependant nécessaire d'évaluer le niveau de cette annulation ainsi que les effets d'ordre plus élevé. Ensuite, les performances de l'horloge ont été évaluées en utilisant l'isotope fermionique ⁸⁷Sr, pour lequel ce type d'horloge avait initialement été imaginé. Une exactitude au niveau de 10^–15 et une fréquence en excellent accord entre les différents groupes utilisant le même isotope ont été obtenues. Enfin, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure originale a été effectuée avec l'isotope bosonique ⁸⁸Sr en adaptant le dispositif expérimental. Cette mesure a été la première pour cet isotope et a permis de comparer les deux fonctionnements de l'horloge.

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Ces travaux décrivent la conception et la construction d'une horloge atomique sur une puce à atomes. Cette horloge vise une stabilité de fréquence de quelques 10^–13 à 1 s de temps de mesure, et une application en tant qu'étalon secondaire. Elle est fondée sur la transition à deux photons entre les sous-états hyperfins |1,-1> et |2,1> de l'état fondamental de l'atome ⁸⁷Rb. L’interrogation de cette transition est effectuée par spectroscopie de type Ramsey, soit sur un nuage thermique d'atomes froids, soit sur un condensat de Bose-Einstein. Contrairement aux fontaines atomiques, ce nuage est magnétiquement piégé sur une puce à atomes.

Ainsi, un modèle théorique de la stabilité de fréquence de l’horloge a d’abord était établi. Ensuite, un montage expérimental capable de contrôler le champ magnétique à 10^–5, et doté d'une puce hybride, a été réalisé. Cette puce contient des conducteurs à courant continu ainsi qu'un guide d'onde pour acheminer le rayonnement micro-onde d’interrogation de la transition d’horloge des atomes de rubidium.

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Ces travaux détaillent les premiers résultats expérimentaux du projet d'horloge à réseau optique de mercure neutre obtenus au LNE-SYRTE. Ainsi, le piégeage magnéto-optique du mercure a été obtenu, une source laser ultra-stable pour l’interrogation de la transition d’horloge a été développée et, pour la première fois au monde, la spectroscopie laser de la transition d’horloge a été étudiée. Cela a permis d'améliorer de plus de quatre ordres de grandeur, la connaissance de la fréquence de cette transition.

Une des premières étapes a consisté à réaliser la source laser de refroidissement de plusieurs centaines de milliwatts de puissance continue. Cette source laser de longueur d'onde 253,7 nm, correspondant à la transition 1S₀–3P₁, est stabilisée en fréquence.

En employant cette source laser de refroidissement, un piège magnéto-optique de mercure neutre fondé sur une présélection par un piège magnéto-optique à deux dimensions, a été obtenu, pour plusieurs isotopes.

A partir des atomes piégés dans le piège magnéto-optique, la spectroscopie laser de la transition l'horloge 1S₀–3P₀ à 265,5 nm des isotopes fermioniques du mercure, a été réalisée pour la première fois au monde. Cette spectroscopie de la transition d’horloge a été réalisée avec une source laser ultra-stable à 265,5 nm.

La comparaison de cette source avec un second système laser ultra-stable similaire, fonctionnant à 1 062,5 nm, a montré une stabilité de fréquence de 8·10^–16 à 1 s de temps de mesure. Ainsi, ces résultats démontrent la faisabilité d'une horloge à réseau optique de haute performance utilisant l’atome de mercure neutre.

Ce mémoire présente l’étude de diodes lasers à base de semi-conducteurs permettant d’adresser les applications, tant scientifiques qu’industrielles, d’horloges et d’interféromètres atomiques. Ces applications requièrent des caractéristiques particulières des diodes lasers : forte puissance (> 150 mW), émission monomode spatial (M² < 1,5) et spectral (SMSR > 30 dB), faible largeur de raie (< 1 MHz).

Partant du besoin, le mémoire s’articule sur une étude théorique de la conception de structures lasers à 852 nm (pompage du césium) et 780 nm (pompage du rubidium). Le type de structure optimale à réaliser, notamment pour des applications spatiales, est le laser à contre réaction répartie (Distributed FeedBack – DFB) sans aluminium dans la zone active, pour une meilleure fiabilité.

Les principaux résultats expérimentaux obtenus sur les composants réalisés sont présentés et permettent d’illustrer la démarche expérimentale de réalisation et d’optimisation de composants : lasers larges, Ridge Fabry-Perot et DFB.

Le critère de faible largeur de raie est un point crucial du travail de thèse : étude théorique, différentes méthodes de mesure, résultats expérimentaux, étude des facteurs limitant. Enfin, l’adéquation du composant avec les besoins est illustrée par une description de la « mise en application » des composants : mise en cavité étendue d’un Ridge Fabry-Perot, expérience d’interaction laser-matière (absorption saturée).

Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications « grand public » telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité imposées aux horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes.

Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ces travaux présentent l´évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court terme de l'horloge HORACE réalisée au LNE-SYRTE. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ 2·10⁸ atomes pouvaient être obtenus à une température de 35 μK. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'à 2·10^–4. Cette grande stabilité de fréquence a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1 000 en fonctionnement.

L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de 2,2·10⁻¹³ t^−1/2 s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités de fréquence obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permet de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40 ms et d'obtenir, in fine, un rapport cyclique proche de 50 %. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12 Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme.

Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

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Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique  à atomes de strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les principes généraux des horloges à réseau optique et le fonctionnement de l'horloge, l'accent est mis sur les améliorations qui ont été apportées à l'expérience depuis 2007. Les éléments les plus importants sont une nouvelle cavité ultra-stable de référence pour le laser d'horloge, le développement d'une technique de détection non-destructive, et la construction d'une deuxième horloge à réseau optique de strontium. La cavité ultra-stable est composée d'un spacer ULE et deux miroirs en silice fondue et a montré un niveau de bruit thermique à 6,5×10^–16, ce qui la place parmi les meilleures du monde. La détection non-destructive est réalisée par une mesure de phase d'un faisceau sonde de faible intensité qui traverse les atomes placés dans un bras d'un interféromètre Mach-Zehnder. L'aspect non-destructif permet de recycler les atomes d'un cycle à l'autre et augmente par conséquent le rapport cyclique, ce qui permet d'optimiser la stabilité de l'horloge. Avec ces nouveaux outils la stabilité de fréquence attendue est à 2,2×10^–16×τ^–1/2 pour une séquence optimisée. Les comparaisons les plus récentes entre les deux horloges à strontium atteignent un niveau de stabilité de 1×10^–16 après environ 1 000 s, ce qui a permis de carac-tériser les décalages de fréquence liés au réseau avec une précision sans précédent. Ces mesures assurent un con-trôle des effets liés au réseau au niveau de 1×10^–18, même pour des profondeurs de piège aussi grandes que 50·E_r.

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